Caracterización del hidrógeno
El hidrógeno es el elemento más pequeño presente en la naturaleza. En condiciones normales es un gas incoloro, inodoro e insípido, compuesto de moléculas di-atómicas. Su símbolo H2, corresponde al átomo de hidrógeno (H) que consta de un núcleo de unidad de carga positiva y un solo electrón. Además tiene un número atómico 1 y peso atómico de 1.00797. Es uno de los componentes principales del agua y de toda la materia orgánica y se encuentra distribuido de manera amplia no sólo en la Tierra sino en todo el universo.
El hidrógeno es un poco más soluble en disolventes orgánicos que en el agua. Además muchos metales tienen la capacidad de absorberlo, por ejemplo, la absorción del hidrógeno en el acero puede volverlo frágil, lo que conlleva a fallas prematuras.
En condiciones de presión y temperatura estándar, el hidrógeno posee una densidad energética de 0.003 kWh/l. Para efectos comparativos, el diésel tiene un valor de 9.938 kWh/l y el gas licuado de petróleo (GLP) de 0.026 kWh/ l.
El hidrógeno gaseoso comprimido posee una mayor densidad energética que en estado natural, ha alcanzado valores de 0.50 kWh/l a 20 MPa (200 bar) y 1.34 kWh/l a 70 MPa (700 bar).
Si se realiza la comparación del poder calorífico por unidad masa (kWh/kg), se encuentra que el hidrógeno posee un poder calorífico tres veces mayor que el diésel y aproximadamente dos veces más que el poder calorífico del GLP.
El hidrógeno posee un rango de flamabilidad amplio, tanto la velocidad de la flama como la temperatura de ebullición del hidrógeno respecto al diésel y la gasolina, lo hacen un compuesto con peligros asociados, entre ellos, ser un gas inflamable a alta presión.
No es factible encontrarlo como un elemento puro, sino más bien como un componente de muchas sustancias en la naturaleza, por ejemplo en el agua, cuyas moléculas están formadas por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno (H2O), o en los hidrocarburos (CnH2n+2).Por lo anterior, para obtenerlo en forma pura, debe ser separado mediante reacciones químicas o aplicación de energía.
El gas natural es la fuente más común a nivel mundial para obtener hidrógeno, sin embargo este proceso de producción de hidrógeno a partir del gas natural, no es limpio ya que también se libera carbono.
Otra fuente para la obtención de hidrógeno es mediante la refinación de petróleo, en el que dicho gas se convierte en un subproducto que es usado nuevamente para romper las cadenas largas de hidrocarburos, en cadenas más pequeñas. También por pirólisis de los productos secundarios en algunos procesos, tales como la glicerina generada de la producción del biodiesel o desechos de basura.
El hidrógeno también se puede extraer del agua mediante electrólisis, obteniéndose además oxígeno, en un proceso libre de carbono. El hidrógeno es almacenado a presión para su posterior uso.
El hidrógeno como vector energético
El hidrógeno no es una fuente de energía primaria, es un vector energético, en el sentido de que tiene la capacidad de almacenar la energía para extraerla posteriormente. Por ello, en algunos países es aprovechado como canalizador de energía para el transporte (especialmente transporte público y transporte de carga, incluidos trenes), o como base para sistemas estacionarios de almacenamiento de energía, por ejemplo de fuentes intermitentes como la solar o la eólica para posteriormente convertirla en electricidad por medio de celdas de combustible y cubrir así las demandas en horas pico.
Para aplicaciones energéticas, el hidrógeno puede ser considerado una energía limpia solo si el proceso utilizado para su obtención se basa en energía renovable. En Costa Rica la propuesta es obtener hidrógeno mediante la electrólisis del agua, aprovechando la electricidad proveniente de una fuente renovable disponible en el país, que además reporta una alta disponibilidad durante el año. Este factor permitiría eventualmente un alto aprovechamiento de nuestros recursos naturales, no obstante, aún se requieren más estudios para determinar sus costos de producción.
En cuanto a su aplicación en celdas de combustible, su característica más relevante se asocia a las casi cero emisiones en el proceso de generación de electricidad (pues siempre se produce NOx, en cantidades muy pequeñas).